CN105271433A - 一种锌掺杂的超顺磁四氧化三铁纳米颗粒的水热合成制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锌掺杂的超顺磁四氧化三铁的水热合成制备方法，具体为采用简单经济的反应原料及水热合成方法，通过控制其反应温度、反应时间及掺杂的不同的锌元素的量，从而制备高磁饱和值、高结晶度、粒径均一且具有生物相容性的锌掺杂的四氧化三铁纳米颗粒。本发明制备的纳米颗粒具有较高的磁饱和值。本发明制备的纳米颗粒具有较高的结晶度，颗粒均一、良好的物理化学稳定性。本发明的纳米颗粒含有Fe和Zn元素，具有较好的生物相容性。作为磁性纳米材料能够广泛应用于生物医学领域。本发明中反应原料廉价，制备方法工艺简单，可操作性强，能进一步满足生产和应用。

Description

一种锌掺杂的超顺磁四氧化三铁纳米颗粒的水热合成制备方法

技术领域

本发明涉及一种锌掺杂的超顺磁四氧化三铁的制备方法，具体为采用简单经济水热合成方法，制备高磁饱和值、高结晶度、粒径均一的锌掺杂的四氧化三铁纳米颗粒。本发明属于纳米生物医药材料领域。

背景技术

超顺磁氧化铁纳米颗粒(SPIONs)在生物医学方面可以提供很多的应用，比如：生物成像、靶向药物载体运输、生物传感器、抗癌热治疗、组织器官修复、和细胞筛选等。这些应用主要是利用SPIONs较好的化学稳定性及磁响应性能。在外磁场的作用下，利用SPIONs作为药物载体，抗癌药物可能会穿过血管系统并特异性地到达肿瘤位置，由此可以减少对正常细胞的损伤作用。因此，SIONPs也是唯一的一种被美国食品药品管理局（FDA）和欧洲药品管理局（EMA）批准的可以应用于临床医学的纳米磁性材料。

为了生物相容性和定位到特定区域的需求，纳米颗粒需要进行适当的表面修饰。以前的研究表明DMSA是无毒的，所以DMSA可以作为表面活性剂来提高纳米颗粒的生物相容性。此外，决定IONPs作为药物载体具有靶向性的关键因素是要有足够强的磁场梯度。这可以利用超导磁铁、局部移植磁体及磁支架等方法解决。为了提高成像的灵敏度和磁靶向性，增强IONPs磁的性质成为关键。其中一种增大磁饱和值的方式就是掺杂二价金属元素，常用来掺杂的金属离子像Zn,Co,Ni,Cu和Mn等，这些掺杂的IONPs通常被简称为MFe2O4。然而Zn掺杂的IONPs在生物医学应用上最为常见，原因之一就是Zn离子的毒性远比其他几种金属离子要小得多。有文献报道Zn²⁺掺杂的SPIONs显示出很高的磁饱和值，这能大大的增强他们的磁共振成像的对比度及热疗的效果。为了确保药物载体在释放之前能够到达靶向位置，足够的磁敏感性对于有效利用磁场是非常有必要的。Zn²⁺掺杂的SPIONs比常规的SPIONs具有较高的磁敏感性。因此，作为药物载体和成像的造影剂，Zn²⁺掺杂的SPIONs要远远优于常规的SPIONs。最近，在磁场的作用下，Zn²⁺掺杂的Fe₃O₄纳米颗粒（Zn0.4Fe2.6O4NPs）已经作为磁性开关来控制细胞凋亡信号途径。

因此，为了实现SPIONs在环境治理、磁记录和磁共振成像等方面的应用，有必要提出较为理想的合成技术。目前，已经有很多合成方法能制备出高质量的氧化铁纳米材料。如利用跟合成半导体量子点的方法相似的高温溶液相合成出高质量的氧化铁纳米材料。Hyeon等人报道过利用Fe(CO)₅、油酸、氯化三甲胺、等为原料，辛基醚为溶剂合成出γ-Fe₂O₃。Cheon的团队也研究了合成不同形状的γ-Fe₂O₃。在油酸、1,2-十六烷二醇、油胺、苯甲醚混合溶液中，乙酰丙酮铁作为原材料来合成Fe₃O₄纳米颗粒等等。尽管以上合成方法能够合成出高质量的氧化铁纳米材料，但是苛刻的反应条件（如：300℃以上的反应温度和精确的升温速度等）、昂贵的溶剂及低产量却大大限制了氧化铁纳米材料的生产和使用。此外，氧化铁纳米材料较为传统的合成方法是水溶液沉淀或是水解Fe²⁺和Fe³⁺盐等。但是在很多情况下，这些合成方法得到的产物结晶度低，磁饱和值不高（AdvancedFunctionalMaterials，2006,16,1805。Zn-SPIONs的磁饱和值为17emu·g^-1）且具有多分散性。因此为了解决以上合成中遇到的问题，有必要寻找一种新的合成方法。该方法可以采用简单经济的、溶水的且对空气不敏感的无机铁盐作为原材料，合成出高结晶度、颗粒均一的、高磁饱和值的氧化铁纳米材料。相比于其他水热法合成高磁饱和值的锌掺杂的SPIONs（NanoelectronicsConference，2010，3rdInternational），该方法更为简便有效。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提供以SPIONs为基体，同时掺杂锌元素的水热合成制备方法。该方法控制反应温度及锌元素不同的掺杂量等反应条件，从而制备出不同性质的SPIONs。该方法制备出的纳米颗粒具有高磁饱和值、粒径小、粒径均一、性能稳定、生物相容性好的特点。所得的产物能满足临床应用的需求。

为实现这样的目的，在本发明的技术方案中，以无机铁盐和无机锌盐为原料，有机酸作为表面活性剂。同时以碱、醇类和水作为溶剂，在230℃时反应15个小时，即可制高磁饱和值、高结晶度的、颗粒均一的锌掺杂的SPIONs。进一步地，以DMSA作为表面活性剂进行两次水交换，即可得到稳定的水溶性纳米颗粒。该水溶性纳米颗粒可以很好地应用在生物医药领域。

本发明的方法具体为：水热法合成Zn-SPIONs

一种锌掺杂的超顺磁四氧化三铁纳米颗粒的水热合成制备方法，其特征于，包括以下步骤：

首先把混合的无机铁盐和无机锌盐溶解在20ml的水里，Fe²⁺和Zn²⁺物质的量之和为0.002mol；其次，把10ml有机酸、10ml水和1g碱混合，在常温下磁力搅拌直到得到均匀的溶液；再者，把前体Fe²⁺和Zn²⁺倒进该均匀溶液中，搅拌几分钟直至混合溶液变成深棕色；最后把该溶液转移进50ml反应釜中，密封，一定温度下加热十小时以上；反应结束以后，冷却至室温；产品沉积在釜底，用环己烷溶解取出纳米颗粒；再把乙醇加入容有纳米颗粒的环己烷中，沉淀出纳米颗粒，最后纳米颗粒再用乙醇反复洗数次；颗粒表面的有机表面活性剂用二巯基丁二酸（DMSA）在60℃水浴机械搅拌12小时，重复两次交换，得到DMSA包裹的锌掺杂的超顺磁四氧化三铁纳米颗粒，该纳米颗粒能够彻底溶解在水相中。

所述的掺杂的锌元素的含量可以为0-1，即Zn_xFe_yO₄，x为0至1；y为3至2。

所述的反应温度为190-230℃。

本发明中所述的反应时间为15-20个小时。

本发明的优点在于：

（1）本发明制备的纳米颗粒具有较高的磁饱和值

（2）本发明制备的纳米颗粒具有高结晶度、颗粒均一及良好的物理化学稳定性。

（3）本发明的纳米颗粒含有Fe和Zn元素，具有较好的生物相容性。作为磁性纳米材料能够广泛应用于生物医学领域。

（4）本发明中反应原料廉价，制备方法工艺简单，可操作性强，能进一步满足生产和应用。

附图说明

图1为实施例1所制备的Zn_0.4Fe_2.6O₄NPs磁化曲线图。

图2为实施例1所制备的Zn_0.4Fe_2.6O₄NPsXRD图。

图3为实施例1所制备的Zn_0.4Fe_2.6O₄NPs透射电子显微镜图。

图4为实施例2所制备的Zn_0.2Fe_2.8O₄NPs透射电子显微镜图。

图5为实施例3所制备的Zn_0.5Fe_2.5O₄NPs透射电子显微镜图。

具体实施方式

以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。以下的实施例是对本发明的进一步说明，而不限制本发明的范围。

实施例1：

首先把FeSO₄·(NH₄)₂SO₄·6H₂O和ZnSO₄溶解在20ml的水里，使得前体达到1.73×10^-3molFe²⁺and2.67×10^-4molZn²⁺的目的。其次，把10ml油酸、10ml水和1gNaOH混合，在常温下磁力搅拌直到得到均匀的溶液。再者，把前体Fe²⁺和Zn²⁺倒进该均匀溶液中，搅拌几分钟以后，混合溶液变成深棕色。最后把该溶液转移进50ml反应釜中，密封，230度加热15个小时。反应结束以后，冷却至室温。产品沉积在釜底，用环己烷溶解取出纳米颗粒。再把乙醇加入容有纳米颗粒的环己烷中，沉淀出纳米颗粒，最后纳米颗粒再用乙醇反复洗数次。颗粒表面的有机表面活性剂用DMSA进行双交换，使得纳米颗粒彻底溶解在水相中。

实施例2：

首先把FeSO₄·(NH₄)₂SO₄·6H₂O和ZnSO₄溶解在20ml的水里，使得前体达到1.87×10^-3molFe²⁺and1.33×10^-4molZn²⁺的目的。其次，把10ml油酸、10ml水和1gNaOH混合，在常温下磁力搅拌直到得到均匀的溶液。再者，把前体Fe²⁺和Zn²⁺倒进该均匀溶液中，搅拌几分钟以后，混合溶液变成深棕色。最后把该溶液转移进50ml反应釜中，密封，230度加热15个小时。反应结束以后，冷却至室温。产品沉积在釜底，用环己烷溶解取出纳米颗粒。再把乙醇加入容有纳米颗粒的环己烷中，沉淀出纳米颗粒，最后纳米颗粒再用乙醇反复洗数次。颗粒表面的有机表面活性剂用DMSA进行双交换，使得纳米颗粒彻底溶解在水相中。

实施例3：

首先把FeSO₄·(NH₄)₂SO₄·6H₂O和ZnSO₄溶解在20ml的水里，使得前体达到1.67×10^-3molFe²⁺and3.33×10^-4molZn²⁺的目的。其次，把10ml油酸、10ml水和1gNaOH混合，在常温下磁力搅拌直到得到均匀的溶液。再者，把前体Fe²⁺和Zn²⁺倒进该均匀溶液中，搅拌几分钟以后，混合溶液变成深棕色。最后把该溶液转移进50ml反应釜中，密封，230度加热15个小时。反应结束以后，冷却至室温。产品沉积在釜底，用环己烷溶解取出纳米颗粒。再把乙醇加入容有纳米颗粒的环己烷中，沉淀出纳米颗粒，最后纳米颗粒再用乙醇反复洗数次。颗粒表面的有机表面活性剂用DMSA进行双交换，使得纳米颗粒彻底溶解在水相中。

实施例4：

首先把FeSO₄·(NH₄)₂SO₄·6H₂O和ZnSO₄溶解在20ml的水里，使得前体达到1.6×10^-3molFe²⁺and4×10^-4molZn²⁺的目的。其次，把10ml油酸、10ml水和1gNaOH混合，在常温下磁力搅拌直到得到均匀的溶液。再者，把前体Fe²⁺和Zn²⁺倒进该均匀溶液中，搅拌几分钟以后，混合溶液变成深棕色。最后把该溶液转移进50ml反应釜中，密封，230度加热15个小时。反应结束以后，冷却至室温。产品沉积在釜底，用环己烷溶解取出纳米颗粒。再把乙醇加入容有纳米颗粒的环己烷中，沉淀出纳米颗粒，最后纳米颗粒再用乙醇反复洗数次。颗粒表面的有机表面活性剂用DMSA进行双交换，使得纳米颗粒彻底溶解在水相中。

Claims (4)

1.一种锌掺杂的超顺磁四氧化三铁纳米颗粒的水热合成制备方法，其特征于，包括以下步骤：

首先把混合的无机铁盐和无机锌盐溶解在20ml的水里，Fe²⁺和Zn²⁺物质的量之和为0.002mol；其次，把10ml有机酸、10ml水和1g碱混合，在常温下磁力搅拌直到得到均匀的溶液；再者，把前体Fe²⁺和Zn²⁺倒进该均匀溶液中，搅拌几分钟直至混合溶液变成深棕色；最后把该溶液转移进50ml反应釜中，密封，一定温度下加热十小时以上；反应结束以后，冷却至室温；产品沉积在釜底，用环己烷溶解取出纳米颗粒；再把乙醇加入容有纳米颗粒的环己烷中，沉淀出纳米颗粒，最后纳米颗粒再用乙醇反复洗数次；颗粒表面的有机表面活性剂用二巯基丁二酸（DMSA）在60℃水浴机械搅拌12小时，重复两次交换，得到DMSA包裹的锌掺杂的超顺磁四氧化三铁纳米颗粒，该纳米颗粒能够彻底溶解在水相中。

2.根据权利要求1的一种锌掺杂的超顺磁四氧化三铁纳米颗粒的水热合成制备方法，其特征在于，所述的掺杂的锌元素的含量可以为0-1，即Zn_xFe_yO₄，x为0至1；y为3至2。

3.根据权利要求1的一种锌掺杂的超顺磁四氧化三铁纳米颗粒的水热合成制备方法，其特征在于，所述的反应温度为190-230℃。

4.根据权利要求1的一种简单的锌掺杂的超顺磁四氧化三铁纳米颗粒的水热合成制备方法，其特征在于所述的反应时间为15-20个小时。